《Journal of Cleaner Production》：Enhancing essential oil extraction from orange peels using ultrasound-assisted hydro-distillation: A sustainable approach
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橙子精油（EOs）是具有显著有益特性的宝贵副产品，但从橙子废料中提取精油的效率往往较低。为此，研究人员将超声预处理与传统水蒸馏（HD）相结合，以提高精油产率、减少提取时间并降低环境影响。本研究旨在优化从柑橘皮中超声辅助提取（UAE）精油的过程，以提取时间和超声
橙子精油（EOs）是具有显著有益特性的宝贵副产品，但从橙子废料中提取精油的效率往往较低。为此，研究人员将超声预处理与传统水蒸馏（HD）相结合，以提高精油产率、减少提取时间并降低环境影响。本研究旨在优化从柑橘皮中超声辅助提取（UAE）精油的过程，以提取时间和超声振幅作为关键变量。选择这两个因素是因为它们强烈影响空化强度和传质，且将优化限制在这两个参数上简化了过程，有利于重现性和潜在的工业放大。将超声辅助提取（UAE）方法与常规水蒸馏（HD）在提取产率和速率、精油质量及能耗方面进行了比较。通过动力学建模和贝叶斯参数优化，评估了超声参数对最大提取速率（μ）和精油产率（C）的影响。μ的最优条件为100%振幅处理30分钟，而C的最优条件为100%振幅处理10分钟。与传统方法相比，UAE同时提高了μ和C，最大相对差异（10.5%）出现在提取约30分钟后，对应UAE产率为1.11%，表明UAE显著提升了过程效率。成本效率分析显示，UAE的更高提取速率使其在数分钟内就超过常规水蒸馏，在47分钟时达到峰值（1.79 mL �?1，相比常规HD增加5%）。总之，UAE显著提高了从柑橘皮中回收精油的产率和速度，通过提供比传统方法更绿色、更快、更节能的替代方案，支持了清洁生产原则，实现了柑橘废料的增值化。
以下是根据论文原文浓缩的解读文章：
**研究背景、存在问题与研究目的**
橙子作为全球消费最广泛的水果之一，其加工过程中产生的大量果皮和果肉废料（约占橙子重量的46%）传统上通过填埋、堆肥或饲料处理，成本高昂且环境不可持续。柑橘皮富含功能化合物，尤其精油（EOs）中的主要成分柠檬烯具有抗菌、抗氧化等生物活性，在食品、制药、化妆品行业具有高附加值。然而，从柑橘皮中提取精油面临效率低、产率不高、耗时长等瓶颈。常规水蒸馏（HD）方法虽然常用，但能耗高、提取周期长，亟需更绿色高效的替代技术。超声辅助提取（UAE）通过空化效应破坏植物细胞壁、增强溶剂渗透，已被证明能提升产率和缩短时间，但先前研究多采用响应面法（RSM）优化参数，该方法在处理非线性响应时存在局限；同时，许多研究使用干燥果皮或合成溶剂，增加了操作复杂性和环境负担。因此，本研究旨在采用贝叶斯参数优化方法，在不预先干燥、不使用合成溶剂的条件下，优化UAE工艺参数（超声振幅和处理时间），并与常规HD在提取速率、产率、能耗和经济成本方面进行综合比较，为柑橘废料的可持续增值提供依据。该论文发表在《Journal of Cleaner Production》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术：1）动力学建模：使用重新参数化的Gompertz模型描述精油体积随时间变化的S形曲线，拟合得到最大提取速率（μ）和最大产率（C）两个参数；2）贝叶斯参数优化：基于普通克里金（Kriging）代理模型，通过预期改进（EI）获取函数迭代搜索最优超声振幅（20%-100%）和处理时间（5-30分钟）组合，分别针对μ和C独立优化；3）气相色谱-质谱联用（GC-MS）：分析精油化学成分组成；4）能耗与经济成本评估：在实验室条件下计算超声设备、加热套和冷却系统的能耗，并结合西班牙电价（0.2889 � kWh
?1）换算经济成本。样本来源：橙子品种为Navelina、Navel和Navel late（Citrus sinensis L. osbeck），由西班牙Cartagena的Frutas Salmarsa于2024年11月提供。
**研究结果**
**3.1 橙子品质评估**：通过测定果实大小、重量、出汁率、可溶性固形物（TSS）、pH、硬度及色泽等参数，确认所用橙子具有代表性，符合文献范围。
**3.2 贝叶斯参数优化下的超声辅助提取优化**：研究人员首先采用规则网格设计（振幅20%-100%，时间5-30分钟）作为初始实验，并对每次常规提取后的精油体积动力学用Gompertz模型拟合。独立构建两个Kriging模型分别预测C（最大产率）和μ（提取速率）。结果显示，最大产率C主要受超声时间影响，较短处理时间（10分钟）产率更高；提取速率μ主要受超声振幅影响，高振幅（100%）显著提升速率。两种参数存在冲突：优化C需10分钟，优化μ需30分钟。经迭代（C需15次，μ需12次收敛），最优组合为100%振幅10分钟（针对C）和100%振幅30分钟（针对μ）。由于C代表最终精油产率，研究者选定10分钟、100%振幅为推荐方案。
**3.3 基于提取效率与能源效率的最优策略评估**：对比最优UAE（10分钟、100%振幅）与常规HD，UAE在提取早期（约27.3分钟）相对差异达最大10.5%，对应UAE产率1.11%；但随曲线进入平台期，相对差异稳定在1.8%。成本效率分析显示，UAE在提取前几分钟因超声步骤能耗高于常规HD，但随后因其更高提取速率迅速反超，在47分钟达到峰值1.79 mL �
?1，较常规HD提高5%。研究者指出，从经济角度，最优策略并非追求最大产率，而是在提取进入早平台期时停止批次，丢弃仍含部分精油但提取速率下降的废料，以节省能耗。
**3.4 提取精油化学组成**：GC-MS分析显示，三种提取方法（HD、μ最优、C最优）获得的精油主要成分均为单萜类，其中柠檬烯为绝对主要成分：HD中94.62%，μ中95.20%，C中95.34%。其他微量成分如β-月桂烯、桧烯、β-芳樟醇、癸醛等含量相似，仅个别成分存在细微差异，表明UAE不影响精油化学成分组成。
**总结讨论与结论翻译**
讨论部分指出，UAE通过空化效应增强传质和细胞破裂，高振幅产生更强剪切力，提高了产率和速率。与文献中其他优化方法（如人工神经网络ANN）相比，本研究采用的贝叶斯优化可有效处理非线性响应，并且使用水作为绿色溶剂、无需干燥步骤，降低了操作复杂性和能耗。尽管实验室尺度结果令人鼓舞，但工业放大面临反应器设计、能量分布和运行稳定性等挑战，需进一步研究。经济评估表明超声步骤的能耗可被产率提升快速补偿，且早平台期停止提取更经济。最终结论（翻译）：研究人员的结果证明了UAE作为从柑橘皮副产品中高效回收精油方法的潜力。通过对超声振幅和处理时间等关键变量的聚焦，简化了实验设计，便于分析空化强度和能量输入对提取性能的影响。通过动力学建模与贝叶斯参数优化的结合，研究人员识别出最优超声操作参数：μ和C的最优条件分别为100%振幅处理30或10分钟。采用最优参数提高了提取速率和最大产率。在两种最优工艺中，C被认为比μ更重要，因此推荐10分钟、100%振幅作为最优方案。这凸显了UAE的可持续性优势，包括相比常规HD显著降低能耗，以及有效增值柑橘副产品。简化的经济评估显示，在平台期开始时丢弃废料更为经济；超声步骤的能耗小且可被产率提升快速补偿。UAE已被证明是从柑橘副产品中回收精油的高效、可持续方法，具有快速提取、低能耗和良好工业放大潜力，未来工作应聚焦生命周期评估、放大能量性能及将UAE整合入柑橘生物精炼概念。
